1、高分子物理 (Polymer Physics),2012年浙江农林大学说课比赛,吴 强 2011.12.15,1、高分子物理课程概况,说课内容,2、以“第九章-聚合物流变学”为例，谈谈如何讲授高分子物理课程,课程概况,基础课程：有机化学、物理化学和高分子化学,高分子物理 ：专业基础课（高分子专业大三第一学期）,主要教学目的：为高分子材料、聚合物工艺学、聚合物加工原理、高分子分子设计等后续专业课程提供知识基础,课程内容：,教学难点对策,课程内容庞杂 对策：每章新开始时，将这章与前几章的逻辑进行梳理。每个章节内部，也必须去构建它的逻辑性。 现象（引出问题）基本概念（解决问题的关键、掌握）用概念分析
2、现象（重点掌握内容）相应理论、定量分析（对现象、概念的深入分析，一般属了解部分）测试方法（如何获得所定义的概念，了解）重点标注要掌握内容，每章结束后，用上述逻辑进行小结（重整教学目标）增加一次期中考试 新概念、新理论多、且抽象；不遵循传统化学学习方法 对策：1、学生刚接触专业课程，缺乏对高分子背景知识的了解，在引言部分增加背景知识介绍，有助于学生弄清课程的连续性和逻辑性。 2、尽量的寻找可类比的例子， 3、通过高分子物理实验从感性进一步加深理解高分子物理的科学原理 4、专业词汇的引入，很多概念由外文翻译而来，更容易记忆。 公式推导多 对策：尽量多地给出推导过程，有利学生弄清高分子物理的基本概念
3、；,教学日历,结 构,性 能,分子运动,第一、二、三、四章：共16学时,第五章：共8学时,第六、七、八、九章：共18学时,期中考试、前后各一次习题课,第九章 聚合物流变学,理清本章与课程其他章节内容的逻辑关系,流变学背景介绍与产品加工的关系,高分子流变行为的特殊性（与小分子比较）,介绍描述流变行为的物理参数，,用新概念描述高分子流变行为的特点，并解释,建立分子结构与流变行为的关系，知道如何改善,测试方法的介绍,第九章 聚合物流变学,理清本章与课程其他章节内容的逻辑关系,第九章 聚合物流变学,Rheology is “ the study of the flow and deformation
4、of all forms of matter.”,E. C. Bingham, M. Reiner April, 29, 1929,聚合物加工都在流体状态下进行,流变学背景介绍与产品加工的关系,引 言,流变学背景介绍与产品加工的关系,聚合物的流动特点,小分子流体,聚合物流体,高分子流变行为的特殊性（与小分子比较）,无管虹吸 （高分子液体）,虹吸现象 （小分子液体）,聚合物的流动特点,高分子流变行为的特殊性（与小分子比较）,聚合物的流动特点,与聚合物流动特点相关的物理参数是哪些呢？,“水上飞的现象”,高分子的结构参数,与液体接触的频率（剪切速率）,高分子流变行为的特殊性（与小分子比较）,切应力与
5、切变速率的定义,Shear stress,Strain,介绍描述流变行为的物理参数，,牛顿流体和非牛顿流体,N：牛顿流体 D：切力增稠流体 S：切力变稀流体（假塑性流体） iB：理想宾汉流体 pB：假塑性宾汉流体,表观剪切粘度,粘度（viscosity）,介绍描述流变行为的物理参数，,流凝体:维持恒定的切变速率,粘度随着时间的增加而增大的流体.饱和聚酯等,触变体:维持恒定的切变速率,粘度随着时间的增加而减小的流体.油漆等,流凝体与触变体,用新概念描述高分子流变行为的特点，并解释,聚合物流体的非牛顿性,绝大多数聚合物液体的流动行为遵从普适流动曲线.,用新概念描述高分子流变行为的特点，并解释,掌握
6、内容,n=1,n 1,n 1,牛顿流体,膨胀性流体,假塑性流体,幂律方程,幂律定律,用新概念描述高分子流变行为的特点，并解释,聚合物的缠结,高分子熔体的流动曲线形状的解释:分子缠结理论,1. 在足够小的切变速率下,大分子处于高度缠结的拟网状结构,流动阻力很大,此时缠结结构的破坏速度等于生成速度,故粘度保持恒定最高值,表现为牛顿流体的流动行为,3.当达到强剪切速率时,大分子的缠结结构完全被破坏,并完全取向,此时的流动粘度最小,体系粘度达到最小值.表现出牛顿流体的行为.,2. 当切变速率变大时,大分子在剪切作用下由于构象的变化而解缠结并沿流动方向取向,此时缠结结构破坏速度大于生成速度,故粘度逐渐变
7、小,表现出假塑性流体的行为,用新概念描述高分子流变行为的特点，并解释,掌握内容,聚合物的缠结（Entanglement）,用新概念解释普适曲线,“缠绕、活扣”,聚合物的缠结,缠结的解释,“活扣”的数量与什么有关？,线的数量,线的长度,浓度,分子量,“活扣”的数量,聚合物的缠结,聚合物溶液浓度增高，结构的变化,缠结的解释,聚合物的缠结,聚合物溶液浓度与粘度的关系,高分子分子量与比粘度的关系,缠结的解释,影响高分子液体剪切粘度的因素,实验条件和生产工艺条件的影响 （温度T；压力p；剪切速度或剪切应力等）,高分子结构参数的影响 （平均分子量；分子量分布；长链支化度等）,物料结构及成分的影响 （配方成
8、分，如添料、软化剂等）,影响高分子流变行为的因素,高分子结构参数的影响,平均分子量的影响,缠结是高分子材料链状分子的突出结构特征，对材料的力学性能和流动性有特别重要的影响。,Mc为分子链发生“缠结”的临界分子量,影响高分子流变行为的因素,平均分子量的影响,高分子结构参数的影响,影响高分子流变行为的因素,183时几种不同分子量的聚苯乙烯的粘度与切变速率的关系 从上到下各曲线对应的分子量分别是242,000；217,000； 179,000；117,000；48,500,分子量增大，除了使材料粘度迅速升高外，还使材料开始发生剪切变稀的临界切变速率变小，非牛顿流动性突出。究其原因是，分子量大，变形松
9、弛时间长，流动中发生取向的分子链不易恢复原形，因此较早地出现流动阻力减少的现象。,高分子结构参数的影响,影响高分子流变行为的因素,掌握内容,1、从纯粹加工的角度来看，降低分子量肯定有利于改善材料的流动性，橡胶行业采用大功率炼胶机破碎、塑炼胶料即为一例。但分子量降低后必然影响材料的强度和弹性，因此需综合考虑。,2、不同的材料，因用途不同，加工方法各异，对分子量的要求不同。总体来看，橡胶材料的分子量要高一些（约105 106 ），纤维材料的分子量要低一些（约104），塑料居其中。,3、塑料中，用于注射成型的树脂分子量应小些，用于挤出成型的树脂分子量可大些，用于吹塑成型的树脂分子量可适中。,说 明,
10、平均分子量的影响,影响高分子流变行为的因素,分子量分布的影响,分子量分布宽的试样，其非牛顿流变性较为显著。主要表现为，在低剪切速率下，宽分布试样的粘度，尤其零剪切粘度往往较高；但随剪切速率增大，宽分布试样与窄分布试样相比（设两者重均分子量相当），其发生剪切变稀的临界剪切速率偏低，粘-切敏感性较大。到高剪切速率范围内，宽分布试样的粘度可能反而比相当的窄分布试样低。,高分子结构参数的影响,当分布加宽时，物料粘流温度（Tf）下降，流动性及加工行为改善。这是因为此时分子链发生相对位移的温度范围变宽，尤其低分子量级分起内增塑作用，使物料开始发生流动的温度跌落。,影响高分子流变行为的因素,掌握内容,分子链
11、的支化,短支化时，相当于自由体积增大，流动空间增大，从而粘度减小,长支化时，相当长链分子增多，易缠结，从而粘度增加,高分子结构参数的影响,影响高分子流变行为的因素,温度和压力的影响,实验条件和生产工艺条件的影响,PMMA的粘度与温度和压力的关系,温度升高， 物料粘度下降；压力升高， 物料粘度上升。,影响高分子流变行为的因素,掌握内容,（1）温度是分子无规则热运动激烈程度的反映，温度升高，分子热运动加剧，分子间距增大，材料内部“空穴”（自由体积）增多，使链段易于活动，内摩擦减少，粘度下降。,温度和压力的影响,（2）在温度远高于玻璃化温度和熔点时（T Tg+100），高分子熔体粘度与温度的依赖关系
12、可用Arrhenius方程很好地描述：,影响高分子流变行为的因素,粘流活化能,粘流活化能为流动过程中，流动单元（即链段）用于克服位垒，由原位置跃迁到附近“空穴”所需的最小能量。,粘流活化能是描述材料粘-温依赖性的物理量。既反映着材料流动的难易程度，更重要的是反映了材料粘度变化的温度敏感性。,一般说来，分子链刚性大，极性强，或含有较大侧基的材料，链段体积大，粘流活化能较高，如PVC、PC、纤维素等。 与此相反，柔性较好的线型高分子材料粘流活化能较低。,粘流活化能,剪切速率和剪切应力的影响,实验条件和生产工艺条件的影响,影响高分子液体剪切粘度的因素,配合剂的影响,对流动性影响较显著的配合剂有两大类,填充补强材料,软化增塑材料,碳酸钙，赤泥，陶土， 高岭土，碳黑、短纤维等,各种矿物油， 一些低聚物等,主要作用：使体系粘度 上升，弹性下降，硬度 和模量增大，流动性变 差,主要作用：减弱物料内大 分子链间的相互牵制，使 体系粘度下降，非牛顿性 减弱，流动性改善,测定聚合物熔体粘度的方法,落球粘度计,缺 点:只能测定低剪切速率下的粘度,不能测定粘度对剪切速率的依赖性.,Stocks方程,测试方法的介绍,测定聚合物熔体粘度的方法,毛细管流变仪:广泛使用,测试方法的介绍,测定聚合物熔体粘度的方法,旋转流变仪,测试方法的介绍,测定聚合物熔体粘度的方法,测试方法的介绍,请各位领导和老师指正！,
